CN101521502A - 软启动装置 - Google Patents

Abstract

一种软启动装置，包含有电流源以及第一、第二晶体管，第一晶体管耦接于电流源，依据一电压决定第一晶体管导通的电流量，第二晶体管亦耦接于电流源，依据固定偏压决定第二晶体管导通的电流量，其中此电压的初始电压值小于固定偏压的电压值，但在软启动后此第一电压的电压值逐步增加至大于固定偏压的电压值，使得软启动得以平顺的实施。

Description

软启动装置

技术领域

本发明有关一种软启动装置，特别是一种切换过程平顺而无突波并同时可以延长启动时间的软启动装置。

背景技术

软启动装置(soft-start)可应用于多种电路。为了避免电源启动(power on)初期，过大的涌入电流(rush current)或过量(overshoot)的电压易对电路造成损坏，而须让输入电源缓慢上升的电路，皆可使用软启动装置。

以交换稳压器为例作说明。交换稳压器有较好的电压转换效率，因此通常被使用于转换大压差及大负载电流。然而，交换稳压器在电源启动初期，容易造成过大的涌入电流或过量的电压，进而可能造成电路的损坏。因此，在电源启动时，需使用软启动装置而让电源电压可缓慢上升。

参照图1A，图1A是传统技术的软启动装置的示意图。传统技术针对软启动装置的设计上，包含：电流源(I)A10、电容(C)A20、开关A30、参考电压(V_ref)A40及固定电压源(V_bg)A50。

软启动装置一开始为开回路操作，也就是说开关A30为开启的状态。利用电流源A10对电容A20充电，在充电过程中电容A20会缓慢的增加电压，而产生一个斜率电压(ramp voltage)。因此，参考电压A40也同时跟随斜率电压而缓慢上升，如此可达到软启动的功能。

当斜率电压接近固定电压源A50的电压值时(于此，固定电压源A50的电压值可以是能隙电压(bandgap voltage))，必须结束软启动机制，使整个系统恢复正常操作。传统作法是：将开关A30关闭，而切回闭回路，使参考电压A40输出固定电压源A50的电压值，也就是输出能隙电压。

然而，开关A30的切换时间点不易控制，容易造成不连续的突波，使得系统不稳定而误动作。参照图1B，图1B是传统技术的软启动装置切换波形示意图(一)。由图1B所示可知，如果开关A30切换的太晚，会造成参考电压(V_ref)超过能隙电压(V_bg)，而往上形成一个突波后才回到能隙电压值(V_bg)。相对的，参照图1C，图1C是传统技术的软启动装置切换波形示意图(二)。由图1C所示可知，如果开关A30切换的太早，会造成参考电压(V_ref)尚未到达能隙电压(V_bg)，使得参考电压A40与能隙电压间产生一间距。

另一方面，软启动装置的主要功能在于使电源电压缓慢上升，以避免电源启动初期，因过大的涌入电流产生而造成电路的损坏。当电源电压上升的速度越慢，表示单位时间内所上升的电压越小，而对电路较不易造成损坏。因此，一般针对软启动装置的需求，希望其软启动时间较长，而让电源电压可以较缓和的上升。其中，软启动所需的时间(T_s)如下式所示： $T_s=\frac{C}{I}\×V_{\mathrm{bg}}.$

由上述的公式可知，如果要让软启动时间(T_s)较长，必须电流源(I)要小而电容(C)要大。传统作法上，会利用额外的接脚(pin)来外接大电容，使电容值变大。然而，这样的作法除了必须增加额外的接脚与大电容，使得成本支出增加，且所外接的电容也不易整合于IC内部。

因此，如何解决传统技术上软启动装置对于开关切换以及软启动时间相关的问题，为一亟待解决的议题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种软启动装置。本发明所提出的软启动装置，采用软切换电路，作为如先前技术中所提及的开回路与闭回路之间的切换机制，而解决传统技术上切换时间点不易控制的问题，使得转换过程平顺且无突波。再者，对于延长软启动时间方面，不须如传统技术般须额外增加接脚与外接大电容，而是利用衰减电路来增加时间常数。其中，衰减电路的结构简单且多样化，因此容易延长软启动时间，而使电源启动初期的电源电压更缓和上升。

本发明提出一种软启动装置，包含：电流源；第一晶体管耦接于电流源，依据第一电压决定第一晶体管导通的电流量；第二晶体管，耦接于电流源，依据固定偏压决定第二晶体管导通的电流量；其中，第一电压的初始电压值小于固定偏压的电压值，并在软启动后，第一电压的电压值逐步增加至大于固定偏压的电压值。

本发明亦提出一种软启动装置，包括：衰减电路，接收第二电压，藉由缩小第二电压的比率而扩大时间常数；放大器，具有至少一个输入端与输出端，输入端耦接衰减电路，且输入端与输出端间串联第二电容，第二电压经由衰减电路而对第二电容充电，并由输出端输出逐渐上升的第一电压；软切换电路，耦接放大器的输出端，用以接收第一电压，并依据第一电压而输出参考电压。

有关本发明的较佳实施例及其功效，兹配合图式说明如后。

附图说明

图1A：传统技术的软启动装置示意图；

图1B：传统技术的软启动装置切换波形示意图(一)；

图1C：传统技术的软启动装置切换波形示意图(二)；

图2A：软启动装置的第一实施例示意图；

图2B：软启动装置的第二实施例示意图；

图3A：软启动装置的第三实施例示意图；

图3B：软启动装置的第四实施例示意图；

图3C：软启动装置的第五实施例示意图；

图4图：电压波形示意图。

【主要元件符号说明】

A10：电流源

A20：电容

A30：开关

A40：参考电压

A50：固定电压源

10：软切换电路

100：电流源

110：第一电晶体

111：第一电阻

112：第三电阻

113：第一比较器

120：第二电晶体

121：第二电阻

122：第一电容

123：重置开关

124：第四电阻

125：第二比较器

20：衰减电路

22：第一线路

222：第一端

224：第二端

226：第一衰减器

228：第一电阻

24：第二线路

242：第三端

244：第四端

246：第二衰减器

248：第二电阻

30：放大器

32：输入端

34：输出端

40：第二电容

具体实施方式

参照图2A，该图所示为软启动装置的第一实施例示意图，包括电流源100、第一晶体管110、第二晶体管120、第一电阻111、第二电阻121、第三电阻112、第四电阻124、第一比较器113、第二比较器125、第一电容122及重置开关123，其相互连接关系如图所示。

此实施例的工作方式是在软启动后，控制第一晶体管110的第一电压将由初始电压值(相对的零电压值)逐步增加，此初始电压值小于用以控制第二晶体管120的电压值(即固定偏压的电压值)，但随着第一电压的电压值逐渐的增加，其最终将大于固定偏压的电压值。由于第一晶体管110与第二晶体管120为PMOS开关，加上PMOS开关的特性为负电压导通，因此随着第一电压的电压值逐渐的上升，将使得第一晶体管110逐渐关闭，而第二晶体管120则将逐渐导通。其中，电流源100的电流量为第一晶体管110导通的电流量与第二晶体管120导通的电流量的总和。因此，在第一比较器113接收的第一电压决定第一晶体管110导通的电流量，进而决定第一电阻111两端的电位差的同时，第二晶体管120导通的电流量亦已决定，连带的第二电阻121两端的电位差也将随之改变。

除此之外，图2A中的第三电阻112与第四电阻124可产生退化式源极电路(source degeneration)，以除去以往软启动装置的开启(on)及关闭(off)的不连续状态，如此将使得参考电压的输出更加平顺，也就是在开回路控制下可平稳的切换为闭回路控制。随着第二晶体管的导通，第二电阻121两端将产生稳定增加的电位差，并在第一电容122稳压后产生软启动所应得到的参考电压，而此参考电压最终将可达到一稳定的电压值，可做为能隙电压值(bandgapVoltage)。

此外，图2A更可包含一个重置开关123，其与第二电阻121互相并联，用以重置参考电压，使得参考电压的起始值由原先相对的零电压的电压值重新开始。

图2A中是以PMOS开关实现第一晶体管110与第二晶体管120，其相对应使用NMOS开关的变形亦属于本发明的范畴，其实施例参照图2B所示。

参照图3A，该图所示为软启动装置的第三实施例示意图。于第三实施例中，为了延长软启动时间，而使电源启动初期的电源电压可更缓和上升，因此第三实施例更包含：第二电容40、衰减电路20以及放大器30。其中，图3A结合上述的图2A或图2B的实施例，于此将其称之为软切换电路10，组成第三实施例的软启动装置。软切换电路10耦接放大器30的输出端34，用以接收第一电压，并依据第一电压而输出参考电压。

图3A中，衰减电路20接收一个第二电压，其工作机制是藉由缩小第二电压的比率而扩大时间常数，此点于后会有更详尽的说明。此处所称的时间常数为RC时间常数。

放大器30具有至少一个输入端32与输出端34。其中，输入端32耦接衰减电路20，而在输入端32与输出端34之间串联第二电容40。第二电压经由衰减电路20而对第二电容40充电，并由输出端34输出逐渐上升的第一电压。由于第二电压经过衰减电路20后已将时间常数扩大，因此利用第二电压在已扩大时间常数下对第二电容40充电，可得到更为缓和的软启动效果。

参照图3B，图3B为软启动装置的第四实施例示意图。第四实施例中，举例说明衰减电路20的组成示意图的一实施例，但并不以此为限。第四实施例中，衰减电路20包含：第一线路22及第二线路24。第一线路22包含第一端222与第二端224，其中第一端222接收第二电压(V2)的正值，且串联第一衰减器226而产生第三电压。第二线路24包含第三端242与第四端244，其中第三端242接收第二电压(V2)的负值，且串联第二衰减器246而产生第四电压。其中，第一线路22的第二端224与第二线路24的第四端244共点，而耦接至放大器30的输入端32。

此外，第一线路22与第二线路24可分别包含：第一电阻228与第二电阻248。第一电阻228串连于第一衰减器226与第二端224之间；第二电阻248串连于第二衰减器246与第四端244之间。其中，第一电阻228的电阻值与第二电阻248的电阻值得以相等。

如图3B所示，第一衰减器226的衰减比率为0.1，因此第三电压即为0.1V2；第二衰减器246的衰减比率为0.09，因此第四电压即为0.09V2，请注意，所述衰减比率并不以此为限。由图3的例子可推导出，透过衰减电路20使得放大器30的输出端34所输出的第一电压(V1)如下式所示：

$V1=\frac{0.1V2-0.09V2}{R}/\mathrm{SC}=\frac{V2}{S\left(100\mathrm{RC}\right)}.$

其中，RC即为时间常数，因此由左式可得知，藉由衰减电路20使时间常数因而增加了100倍。

图3B的例子为依据第二电压而产生第三电压与第四电压，并依据第三电压与一第四电压之差值而扩大时间常数。此外，衰减电路20也可采用更为简单的做法，如图3C所示。

图3C中衰减电路20不须分为两条线路，只须具有一条线路即可。线路一端接收第二电压，之后经由所串连的衰减器直接将第二电压(V2)衰减为0.01V2，如此所得到第一电压(V1)同样具有扩大100倍的时间常数。

经由上述说明可知，衰减电路20可据有多种的变化性，并不应以上述所举的例子为限，衰减电路20只要可缩小第二电压的比率，便可进而扩大时间常数，因此其相对应的变化皆应属本发明的范畴。例如：衰减电路20也可包含至少一个分压电阻，而藉由分压电阻使第二电压产生不同比率的第三电压与第四电压，同样便可依据第三电压与第四电压之差值而扩大时间常数。由此可知，本发明不须如传统技术般利用额外设置接脚以外接大电容来延长时间常数，藉由本发明所提出的衰减电路20，便可轻易扩大时间常数，进而可获得更稳定的缓启动电压(ramp voltage)。

参照图4，该图所示为电压波形示意图。由图4可更清楚了解第二电压、第一电压与参考电压三者之间的关系。一开始，输入至衰减电路20的第二电压在短时间内即由零电压值上升至第二电压的电压值。而第二电压经由衰减电路20而对第二电容40充电，再由放大器30的输出端34输出逐渐上升的第一电压。由图4可知，第一电压的电压值可由零电压值逐渐上升至第二电压的电压值。最后，第一电压经由软切换电路10而产生参考电压。其中，初期的参考电压的波形，也就是第一电压小于固定偏压时，参考电压会跟随该第一电压上升。而当第一电压大于固定偏压时，参考电压便不再跟随第一电压上升，而呈现一稳定的电压值。

藉由本发明所提出的软启动装置可平滑的切换软启动机制与正常机制使得切换过程平顺而无突波，同时亦可在不增加电容的情况下扩大时间常数使得切换过程得以更加缓和，解决传统技术上切换时间点不易控制，容易造成不连续突波，进而使系统不稳定而误动作的问题。

虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所限定为准。

Claims (16)

1、一种软启动装置，包括：

电流源；

第一晶体管，与该电流源耦接，依据一第一电压决定该第一晶体管导通的电流量；以及

第二晶体管，与该电流源耦接，依据一固定偏压决定该第二晶体管导通的电流量；

其中，该第一电压的初始电压值小于该固定偏压的电压值，并在软启动后，该第一电压的电压值逐步增加至大于该固定偏压的电压值。

2、如权利要求1所述的软启动装置，更包括：

第一电阻，耦接于一电压源与该第一晶体管之间，依据该第一晶体管导通的电流量决定该第一电阻两端的电位差；

第二电阻，耦接于该电压源与该第二晶体管之间，依据该第二晶体管导通的电流量决定该第二电阻两端的电位差；以及

第一电容，与该第二电阻并联，依据该第二电阻两端的电位差产生一参考电压；

其中，当该第一电压的电压值大于该固定偏压的电压值时，该参考电压为一稳定的电压值。

3、如权利要求1所述的软启动装置，更包括：

第三电阻，耦接于该电流源与该第一晶体管之间，以产生一退化式源极电路；以及

第四电阻，耦接于该电流源与该第二晶体管之间，以产生该退化式源极电路；

其中，该退化式源极电路将开回路控制平稳切换为闭回路控制。

4、如权利要求3所述的软启动装置，更包括：

第一比较器，其一正输入端接收该第一电压，其一负输入端耦接于该第三电阻与该第一晶体管的耦接处，以及其一输出端控制该第一晶体管；以及

第二比较器，其一正输入端接收该固定偏压，其一负输入端耦接于该第四电阻与该第二晶体管的耦接处，以及其一输出端控制该第二晶体管。

5、如权利要求1所述的软启动装置，其中该电流源的电流量为该第一晶体管导通的电流量与该第二晶体管导通的电流量的总和。

6、如权利要求1所述的软启动装置，更包括：

放大器，包括至少一输入端与一输出端；

第二电容，耦接于该放大器的输入端与输出端之间；以及

衰减电路，接收第二电压，衰减该第二电压之比率并输出至该放大器的输入端；

其中，该第二电压经衰减后对该第二电容充电，并由该放大器的输出端输出逐渐上升的该第一电压。

7、如权利要求6所述的软启动装置，其中该衰减电路依据该第二电压而产生第三电压与第四电压，并依据该第三电压与该第四电压之差值而扩大一时间常数。

8、如权利要求7所述的软启动装置，其中该衰减电路包含：

第一线路，包含一第一端、一第二端与一第一衰减器，该第一端接收该第二电压的正值，且串联该第一衰减器而产生该第三电压；及

第二线路，包含一第三端、一第四端与一第二衰减器，该第三端接收该第二电压的负值，且串联该第二衰减器而产生该第四电压；

其中，该第一线路的该第二端与该第二线路的该第四端皆耦接至该放大器的该输入端。

9、如权利要求8所述的软启动装置，其中该第一线路与该第二线路分别更包含：

第一电阻，串连于该第一衰减器与该第二端之间；及

第二电阻，串连于该第二衰减器与该第四端之间，且该第二电阻的电阻值与该第一电阻的电阻值实质上相等。

10、如权利要求7所述的软启动装置，其中该衰减电路包含至少一分压电阻，藉由该分压电阻而产生该第三电压与该第四电压。

11、如权利要求6所述的软启动装置，其中该第一电压的电压值由相对的零电压值上升至该第二电压的电压值。

12、一种软启动装置，包括：

放大器，包括至少一输入端与一输出端；

第二电容，耦接于该放大器的输入端与输出端之间；

衰减电路，接收第二电压，衰减该第二电压之比率并输出至该放大器的输入端；

软切换电路，耦接于该放大器的输出端，接收并依据该第一电压以输出一参考电压；

其中，该第二电压经衰减后对该第二电容充电，并由该放大器的输出端输出逐渐上升的第一电压。

13、如权利要求12所述的软启动装置，其中该软切换电路包括：

电流源；

第一晶体管，与该电流源耦接，依据该第一电压决定该第一晶体管导通的电流量；以及

第二晶体管，与该电流源耦接，依据一固定偏压决定该第二晶体管导通的电流量；

其中，该第一电压的初始电压值小于该固定偏压的电压值，并在软启动后，该第一电压的电压值逐步增加至大于该固定偏压的电压值。

14、如权利要求13所述的软启动装置，其中该软切换电路更包括：

第一电阻，耦接于一电压源与该第一晶体管之间，依据该第一晶体管导通的电流量决定该第一电阻两端的电位差；

第二电阻，耦接于该电压源与该第二晶体管之间，依据该第二晶体管导通的电流量决定该第二电阻两端的电位差；以及

第一电容，与该第二电阻并联，依据该第二电阻两端的电位差产生该参考电压；

其中，当该第一电压的电压值大于该固定偏压的电压值时，该参考电压为一稳定的电压值。

15、如权利要求14所述的软启动装置，其中该软切换电路更包括：

第三电阻，耦接于该电流源与该第一晶体管之间，以产生一退化式源极电路；以及

第四电阻，耦接于该电流源与该第二晶体管之间，以产生该退化式源极电路；

其中，该退化式源极电路将开回路控制平稳切换为闭回路控制。

16、如权利要求15所述的软启动装置，其中该软切换电路更包括：

第一比较器，其一正输入端接收该第一电压，其一负输入端耦接于该第三电阻与该第一晶体管的耦接处，以及其一输出端控制该第一晶体管；以及

第二比较器，其一正输入端接收该固定偏压，其一负输入端耦接于该第四电阻与该第二晶体管的耦接处，以及其一输出端控制该第二晶体管。

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